Thực vật sử dụng quang hợp để tạo ra thức ăn từ năng lượng mặt trời. Tiến sĩ Lewis làm việc để bắt chước quá trình đó để tạo ra một nhiên liệu đốt sạch bằng nước và ánh sáng mặt trời.
Tế bào thực vật. Tín dụng hình ảnh: Kristian Peters
Các nhà máy nhận ra rằng cách tốt nhất để tạo ra và khai thác năng lượng sạch sẽ là lấy nguồn tài nguyên lớn nhất mà chúng ta có - mặt trời - và biến nó thành thứ điều khiển gần như toàn bộ năng lượng và tiêu thụ trên hành tinh của chúng ta ngày nay, đó là nhiên liệu hóa học. Nhưng thực vật don lồng làm điều đó rất hiệu quả, và chúng tạo ra một loại nhiên liệu mà chúng ta có thể sử dụng, ít nhất là không trực tiếp, trừ khi bạn muốn ăn các loại rau thơm ngon từ nó. Nhưng hầu hết những gì thực vật tạo ra có thể trực tiếp sử dụng làm nhiên liệu cho con người.
Cũng giống như cách chim có lông, và chúng ta biết rằng do đó nó có thể bay, nhưng chúng ta không thể chế tạo máy bay từ lông, chúng ta biết rằng nó có thể lấy ánh sáng mặt trời và làm nhiên liệu hóa học. Chúng tôi sẽ chế tạo những cỗ máy sắp lấy ánh sáng mặt trời và trực tiếp tạo ra nhiên liệu mà bất kỳ ai cũng có thể sử dụng ở mọi nơi, mọi lúc, để lấy năng lượng.
Hãy để nói về một sản phẩm cụ thể từ phòng thí nghiệm của bạn - một tế bào quang hóa được sử dụng trong quang hợp nhân tạo với mục tiêu tạo ra nhiên liệu hydro - theo cách đơn giản nhất có thể. Nó sẽ làm việc như thế nào?
Chúng ta biết nó có thể với các vật liệu bán dẫn như các vật liệu được sử dụng trong các tấm pin mặt trời, nhưng một bộ vật liệu khác như bạch kim và silicon, để thực sự lấy các vật liệu đó, và thay vì phủ chúng bằng dây điện, chúng ta ngâm vật liệu vào nước. Và thêm ánh sáng mặt trời, người ta có thể tách nước đó và tạo ra khí hydro và khí oxy trực tiếp. Bạn sẽ thu thập hydro, và sau đó có thể sử dụng nó trong pin nhiên liệu. Hoặc bạn có thể chuyển đổi nó thành nhiên liệu lỏng, hoặc sử dụng nó cho những thứ khác. Sau đó, bạn sẽ lấy lại oxy từ không khí tại điểm đốt cháy hydro hoặc nhiên liệu khác mà bạn tạo ra. Chúng tôi biết điều này đã hoạt động.
Tín dụng hình ảnh: spcbrass
Bạn đã nói về việc tách nước. chính xác thì ý bạn là gì khi nói vậy?
Nước có công thức hóa học là H2O. Để phân tách nó, bạn nối lại các liên kết trong nước, tạo ra một phân tử H2 và một nửa số O2 tạo ra các phân tử oxy có trong không khí của chúng ta.
Nhiên liệu tạo ra từ đó là hydro - H2 - bởi vì nó có thể được lưu trữ và sau đó được đốt cháy. Giống như xăng được đốt cháy bằng oxy từ không khí, hydro được đốt cháy bằng oxy từ không khí. Trong trường hợp này, thay vì tạo ra carbon dioxide, nó sẽ tạo ra nước. Vì vậy, nó là đốt sạch, bởi vì sản phẩm phụ duy nhất thực sự là nước uống được từ quá trình đốt cháy.
Tế bào quang điện này trông như thế nào? Những gì bên trong của nó mà mà làm cho nó làm việc này?
Nó sẽ chỉ là một vật liệu linh hoạt, giống như Trượt Trượt hoặc bọc bong bóng, một loại vải đa chức năng mà bạn sẽ tung ra, và sẽ có một lớp trong suốt sẽ hút nước như bọt biển từ không khí. Sau đó, lớp trung gian sẽ hấp thụ ánh sáng mặt trời, và sẽ phân hủy các phân tử nước thành hydro và oxy. Chúng tôi sẽ để oxy thoát ra giống như thông qua một chiếc áo mưa khi bạn thở. Ở phía dưới, chúng ta sẽ loại bỏ nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng, thu thập nó vào một chiếc xe tăng, và sau đó chúng ta có thể sử dụng nó để chạy xe hơi, chạy pin nhiên liệu, tạo ra nhiên liệu lỏng, để cung cấp năng lượng mà chúng ta cần ngay cả khi mặt trời không tỏa sáng.
Dòng thời gian trên này là gì? Khi nào chúng ta có thể mong đợi để thấy điều này trên thị trường, nói chung hoặc sử dụng trong công nghiệp?
Mục tiêu của chúng tôi là xây dựng các nguyên mẫu thực sự hoạt động trong hai năm đầu tiên của dự án này, được gọi là Trung tâm quang hợp nhân tạo, là một trung tâm đổi mới năng lượng được tài trợ bởi Bộ Năng lượng.
Và vì vậy, chúng tôi đang khởi động một dự án rất tích cực, bởi vì không ai thực sự chế tạo được một máy phát điện nhiên liệu mặt trời mà bạn có thể cầm trên tay, đó thực sự là một hệ thống quang hợp nhân tạo. Chúng tôi biết rằng các nguyên mẫu đầu tiên chúng tôi xây dựng sẽ không hoạt động tốt, hoặc có thể không tồn tại rất lâu, hoặc có thể sử dụng các mảnh quá đắt tiền. Và sau đó, chúng tôi sẽ xây dựng một cái thứ hai, và nó sẽ hoạt động tốt hơn một chút. Và sau đó chúng tôi sẽ xây dựng cái thứ ba, và nó sẽ hoạt động tốt hơn. Chúng tôi sẽ học hỏi từ những sai lầm của mình cho đến khi chúng tôi xây dựng một thứ năm thực sự là một trong những thứ mà chúng tôi cố gắng nghĩ về việc chuyển sang doanh nghiệp thương mại.
Chúng tôi nghĩ rằng đây là một thế hệ phát triển của công nghệ phát triển. Nhưng bạn không thể bay cho đến khi bạn lên khỏi mặt đất, và mục tiêu của chúng tôi là lên khỏi mặt đất, xây dựng điều cho thấy rằng chúng ta có thể tạo ra một công nghệ thực sự, trực tiếp làm những gì thực vật làm, nhưng tốt hơn, tạo ra nhiên liệu trực tiếp từ mặt trời.
Một số trở ngại lớn mà bạn đang gặp phải bây giờ hoặc đã phải đối mặt trong quá khứ liên quan đến quang hợp nhân tạo là gì?
Về mặt hóa học, khó có thể lấy các photon ánh sáng và các electron được tạo ra từ khắp nơi trong một vật liệu, sau đó ghép chúng lại với nhau để tạo và phá vỡ các liên kết hóa học cần thiết để quang hợp thực sự. Chúng ta cần phát triển các chất xúc tác có thể làm điều đó, cũng như các vật liệu để hấp thụ ánh sáng để đưa các electron đó đến các chất xúc tác đó, để tất cả các phần của hệ thống cùng hoạt động hài hòa cùng một lúc.
Những gì một ví dụ của một chất xúc tác như vậy?
Một chất xúc tác ngay bây giờ phân tách nước thành hydro và oxy sẽ là một kim loại đắt tiền như bạch kim kết hợp với một kim loại đắt tiền khác như ruthenium ở dạng ruthenium dioxide. Chúng tôi biết họ làm việc rất tốt. Chúng quá đắt để nghĩ về việc sử dụng để che các khu vực rất lớn cần thiết để khai thác ánh sáng mặt trời. Chúng tôi biết rằng thiên nhiên biết làm thế nào để làm điều này. Nó không sử dụng kim loại. Trong các enzyme mà bọ xít sử dụng để tạo ra hydro, chúng sử dụng sắt, một kim loại rẻ tiền bị rỉ sét. Họ sử dụng niken, cùng một thứ mà chúng ta từng sử dụng để tạo ra các biệt danh tiền xu của chúng tôi. Vì vậy, họ sử dụng những thứ thực sự rẻ, và chúng tôi cần tìm ra, như các nhà hóa học, làm thế nào để làm cho kim loại rẻ tiền hoạt động tốt như những thứ đắt tiền để thực sự có một công nghệ giá cả phải chăng.
Điều gì quan trọng nhất mà bạn muốn mọi người biết ngày hôm nay?
Điều quan trọng nhất là phải biết rằng nếu chúng ta muốn có được một hệ thống năng lượng sạch, chúng ta có thể đi đến đó bằng công nghệ hiện có, với gió, với năng lượng mặt trời, với hạt nhân. Nhưng bạn có thể có được tất cả các cách đó với chỉ làm cho rẻ hơn những gì chúng ta biết. Hai thách thức lớn nhất là làm thế nào để bạn lưu trữ một lượng điện khổng lồ và làm thế nào để bạn tạo ra nhiên liệu sạch cho 40% phương tiện giao thông không thể điện khí hóa - tàu, máy bay, xe tải hạng nặng của chúng tôi? Và ngoài một lượng nhiên liệu sinh học hạn chế, trò chơi kỹ thuật duy nhất trong thị trấn có thể giải quyết cả hai vấn đề mà chúng ta phải giải quyết như một hành tinh để tạo ra một tương lai an toàn, có trách nhiệm với môi trường là tạo ra nhiên liệu từ mặt trời. Và đó là lý do tại sao chúng tôi đang làm việc rất chăm chỉ cho dự án đó.
Nghe các cuộc phỏng vấn EarthSky dài 8 phút và 90 giây với Nate Lewis về quang hợp nhân tạo, ở đầu trang.